为了对多电子原子核外电子的运动状态、分布规律等有所了解，并用以解释元素周期表中各元素的排列、分类的规律性，1916年，柯塞尔提出了多电子原子中核外电子按壳层分布的形象化模型。他认为，主量子数n相同的电子组成一个壳层，n越大的壳层离原子核的距离越远，n＝1，2，3，…的各壳层分别用大写字母K、L、M、N、O、P等来表示。在一个壳层内，又按角量子数l分为若干个支壳层，显然主量子数为n的壳层中包含n个支壳层，l＝0，1，2，…的各支壳层分别用小写字母s、p、d、f、g、h等来表示。一般来说，主量子数n越大的壳层，其能级越高，同一壳层中，角量子数l越大的支壳层能级越高。由量子数（n、l）确定的支壳层通常这样表示：把n的数值写在前面，并排写出代表l值的字母，如1s、2s、2p、3s、3p、3d、4s等。
核外电子在这些壳层和支壳层上的具体分布情况遵循下面两条原理。
1．泡利不相容原理
1925年，奥地利理论物理学家泡利在分析了原子光谱和其他实验事实后，总结出如下的规律：在一个原子中不能有两个或两个以上的电子处在完全相同的量子态，即一个原子中任何两个电子都不可能具有一组完全相同的量子数（n、l、m、ms），这条规律称为泡利不相容原理。例如，处于3d支壳层上的电子，量子数n、l相同，但量子数m、ms至少有一个不相同。
根据泡利不相容原理可以计算出各l支壳层上和各n壳层上最多可容纳的电子数。
各n壳层上最多可容纳的电子数为
表18－6－1列出了原子各壳层和各支壳层中最多可容纳的电子数。
表18－6－1 原子各壳层和各支壳层中最多可容纳的电子数
2．能量最小原理
原子处于正常状态时，每个电子都趋向于占据可能的最低能级，使原子系统的总能量尽可能低，这一规律称为能量最小原理。
因此，能级越低（离核越近）的壳层首先被电子填充，其余电子依次向未被占据的各壳层填充，直至所有的核外电子分别填入可能的最低能级为止。能级的高低主要取决于主量子数n，n越小，能级越低。但是能级还与角量子数l有关，当n一定时，l越小，能级越低，l越大，能级越高。因此在某些情况下，n较大而l较小的能级可能比n较小而l较大的能级低，从而会出现n较小的壳层尚未填满时，下一个壳层上就开始有电子填入的情况。
关于n和l都不同的状态的能级的高低问题，要在考虑电子轨道自旋耦合作用后，通过求解薛定谔方程确定。对此，我国科学家徐光宪教授总结出这样的规律：对于原子的外层电子，能级高低可以用n＋0．7l值的大小来比较，其值越大，能级越高。此规律称为徐光宪定则。
例如，3d态能级比4s态能级高，3d态的n＋0．7l为4．4，而4s态的n＋0．7l为4，因此电子先占据4s态，而后才是3d态。元素周期表中第19号元素钾（K），它的核外共有19个电子，前18个电子在核外的排布为1s22s22p63s23p6，第19个电子不是按顺序占据3d态，而是占据4s态。钾原子核外电子的最终排布为1s22s22p63s23p64s1。
表18－6－2列出了部分原子核外电子的排布。
按量子力学求得的各元素原子中电子排列的顺序，已在各元素的物理、化学性质的周期性中得到完全证实。
表18－6－2 部分原子核外电子的排布
续表
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